1 of 74

Устройство компьютера

§ 31. История развития вычислительной техники

1

2 of 74

Паскалина (1645)

2

машина построена!
зубчатые колеса
десятичная система
сложение и вычитание �8-разрядных чисел

Блез Паскаль (1623-1662)

’

Устройство компьютера, 10 класс

3 of 74

Машины Бэббиджа

Первая программа – вычисление

чисел Бернулли («цикл», «рабочая ячейка», условные переходы)

1979 – язык программирования Ада

3

Разностная машина (1822)

Аналитическая машина (1834)

«мельница» (автоматическое выполнение вычислений)
«склад» (хранение данных)
«контора» (управление)
ввод данных и программы с �перфокарт
ввод программы «на ходу»

Чарльз Бэббидж

(1791-1871)

Ада Лавлейс

(1815-1852)

Устройство компьютера, 10 класс

4 of 74

ЭНИАК (1944)

4

Electronic Numerical Integrator And Computer

Дж. Моучли и П. Эккерт

Первый компьютер общего назначения:

18000 электронных ламп
длина 26 м, вес 35 тонн
5000 сложений и 350 умножений в секунду
десятичная система счисления
10-разрядные числа

Устройство компьютера, 10 класс

5 of 74

Развитие элементной базы

5

Первые компьютеры:

электронно-вакуумные лампы

1947 г., У. Шокли, Д. Бардин � и У. Браттейн� транзистор

1958 г., Дж. Килби� интегральная микросхема

1971 г., М. Хофф� микропроцессор Intel 4004

Устройство компьютера, 10 класс

6 of 74

Персональные компьютеры

6

С. Джобс и С. Возняк �с компьютером Apple-I (1976 г.)

IBM-5150 (1981 г.)

Apple-I (1976 г.)

Commodore PET �(1977 г.)

Устройство компьютера, 10 класс

7 of 74

I поколение ЭВМ (1945 – 1955)

7

на электронных лампах

быстродействие 10-20 тыс. операций в секунду
каждая машина имеет свой язык
нет операционных систем
ввод и вывод: перфоленты, �перфокарты, магнитные �ленты

Устройство компьютера, 10 класс

8 of 74

I поколение ЭВМ (1945 – 1955)

8

ЭНИАК (1946)
МЭСМ (Малая электронная �счётная машина, 1951)
БЭСМ (Большая, или Быстродействующая, �электронная счётная машина, 1952)
Стрела (1953)
Урал (1954)
М-20 (1959)

Устройство компьютера, 10 класс

9 of 74

II поколение ЭВМ (1955 – 1965)

9

на полупроводниковых транзисторах �(1947, Дж. Бардин, У. Брэттейн и У. Шокли)
10-200 тыс. операций в секунду
первые операционные системы
первые языки программирования: Фортран (1957), Алгол (1959)
средства хранения информации: �магнитные барабаны, магнитные диски

Устройство компьютера, 10 класс

10 of 74

II поколение ЭВМ (1955 – 1965)

10

TX-0 (США, 1955)
Наири (1964 г.)
МИР (Машина инженерных �расчётов, 1965 г.)
Атлас (Великобритания, 1961)
Стретч (США, 1960),
CDC 6600 (США, 1964)
БЭСМ-6 (СССР, 1967)

БЭСМ-6

TX-0

Устройство компьютера, 10 класс

11 of 74

III поколение ЭВМ (1965 – 1975)

11

на интегральных микросхемах �(1958, Дж. Килби)
семейства компьютеров с общей архитектурой
быстродействие до 1 млн. операций в секунду
оперативная памяти – сотни Кбайт
операционные системы – управление памятью, устройствами, временем процессора
языки программирования Бэйсик (1965), �Паскаль (1970, Н. Вирт), Си (1972, Д. Ритчи)
совместимость программ

Устройство компьютера, 10 класс

12 of 74

Уменьшение размеров элементов

12

I поколение

II поколение

III поколение

2 триггера:

Устройство компьютера, 10 класс

13 of 74

III поколение ЭВМ (1965 – 1975)

13

Мэйнфреймы – большие универсальные компьютеры

1964. IBM/360 фирмы IBM.

кэш-память
конвейерная обработка �команд
операционная система �OS/360
1 байт = 8 битов
разделение времени

1970. IBM/370

1990. IBM/390

Устройство компьютера, 10 класс

14 of 74

Компьютеры III поколения в СССР

14

1971. ЕС-1020

20 тыс. оп/c
память 256 Кб

1977. ЕС-1060

1 млн. оп/c
память 8 Мб

1984. ЕС-1066

5,5 млн. оп/с
память 16 Мб

магнитные ленты

принтер

Устройство компьютера, 10 класс

15 of 74

Мини-ЭВМ

15

Серия PDP фирмы DEC

меньшая цена
проще программировать
графический экран

СМ ЭВМ – система малых �машин (СССР)

до 3 млн. оп/c
память до 5 Мб

Устройство компьютера, 10 класс

16 of 74

IV поколение ЭВМ (после 1975)

16

компьютеры на больших и сверхбольших�интегральных схемах (БИС, СБИС)
суперкомпьютеры
персональные компьютеры
появление пользователей-непрофессионалов, необходимость «дружественного» интерфейса
более 1 млрд. операций в секунду
оперативная памяти – до нескольких гигабайт
многопроцессорные системы
компьютерные сети
мультимедиа (графика, анимация, звук)

Устройство компьютера, 10 класс

17 of 74

IV поколение ЭВМ (после 1975)

17

персональные компьютеры
серверы, предоставляющие свои ресурсы (принтеры, файлы или программы) в коллективное пользование
параллельная обработка данных
многоядерные процессоры
суперкомпьютеры

Устройство компьютера, 10 класс

18 of 74

Персональные компьютеры

18

1974 8-битный микропроцессор

Intel 8080 специально для ПК

1975 первый ПК Altair 8080 (Г.Э. Робертс)

1975 транслятор Altair Basic (Билл Гейтс)

IBM-5150 (1981 г.)

Apple-I (1976 г.)

Commodore PET �(1977 г.)

Устройство компьютера, 10 класс

19 of 74

Суперкомпьютеры

19

1976. Cray-1 (США)

166 млн. оп/c
память 8 Мб
векторные вычисления

2009. «Ломоносов» (Россия)

1700 Тфлопс (2012)
78660 ядер (многоядерные процессоры)
31-е место в рейтинге TOP-500 (2013 г.)

2013. «Tianhe-2» (Китай)

55 Пфлопс
1-е место в рейтинге TOP-500 (2013 г.)

Устройство компьютера, 10 класс

20 of 74

Суперкомпьютеры (применение)

20

исследование климата
создание математических моделей молекул
синтез новых материалов и лекарств
расчёт процессов горения и взрыва
моделирование обтекания летательных аппаратов
моделирование ситуаций в экономике
расчёты процессов нефте- и газодобычи
проектирование новых электронных устройств

Устройство компьютера, 10 класс

21 of 74

Прогресс: типы данных

21

I поколение: числа

II поколение: + символы

III поколение: + графические данные

IV поколение: + аудио- и видеоданные

Мультимедиа – одновременное использование различных форм представления информации (графика, текст, видео, фотографии, анимация, звук и т. д.) и их объединение в одном объекте.

Устройство компьютера, 10 класс

22 of 74

Компьютеры V поколения (проект)

22

Япония, 1982-1992

Цель – создание суперкомпьютера с функциями искусственного интеллекта

обработка знаний с помощью логических средств
сверхбольшие базы данных
использование параллельных вычислений
распределенные вычисления
голосовое общение с компьютером
постепенная замена программных средств на аппаратные

Проблемы:

идея саморазвития системы провалилась
неверная оценка баланса программных и аппаратных средств
традиционные компьютеры достигли большего
ненадежность технологий
израсходовано 50 млрд. йен

Устройство компьютера, 10 класс

23 of 74

Проблемы и перспективы

23

Проблемы:

приближение к физическому пределу быстродействия
сложность программного обеспечения приводит к снижению надежности

Перспективы:

квантовые компьютеры

эффекты квантовой механики
параллельность вычислений
2013 – компьютер D-Wave Two, �512 кубит, в 3600 раз быстрее �обычных компьютеров

D-Wave Two (2013)

Устройство компьютера, 10 класс

24 of 74

Устройство компьютера

§ 32. Принципы устройства компьютеров

24

25 of 74

Архитектура фон Неймана

25

Джон фон Нейман

(1903-1957)

процессор

(АЛУ, УУ)

внешняя

память

устройства

ввода

устройства

вывода

внутренняя

память

обрабатывает данные

обеспечивает выполнение программы

временное хранение данных во время обработки

долговременное хранение данных

Устройство компьютера, 10 класс

26 of 74

Принцип двоичного кодирования

26

Все данные хранятся в двоичном коде.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua

100101010100…

проще устройства для хранения и обработки данных

Троичная ЭВМ «Сетунь» (1959)

Н.П. Брусенцов

Устройство компьютера, 10 класс

27 of 74

Принцип адресности памяти

27

оперативная память состоит из отдельных битов
группы соседних битов объединяется в ячейки
каждая ячейка имеет свой адрес (номер)
нумерация ячеек начинается с нуля
за один раз можно прочитать или записать только целую ячейку

Устройство компьютера, 10 класс

28 of 74

Память с произвольным доступом

28

RAM = Random Access Memory

чтение данных из ячеек и запись в них в произвольном порядке

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (оперативная память)
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство�ROM = Read Only Memory

содержит программное обеспечение для загрузки и тестирования компьютера
запись запрещена

Устройство компьютера, 10 класс

29 of 74

Основной алгоритм работы процессора

29

выбрать команду
записать в счётчик команд адрес следующей команды
выполнить команду
перейти к п. 1

Что будет при включении компьютера?

?

Начальный адрес может заноситься

вручную (в первых ЭВМ)
из ПЗУ, аппаратно (тестирование, потом передача управления загрузчику операционной системы)

Устройство компьютера, 10 класс

30 of 74

Что такое архитектура?

30

Архитектура компьютера – это общие принципы построения конкретного семейства компьютеров (PDP, ЕС ЭВМ, Apple, IBM PC, …).

принципы построения системы команд и их кодирования
форматы данных и особенности их машинного представления
алгоритм выполнения команд программы
способы доступа к памяти и внешним устройствам
возможности изменения конфигурации оборудования

К архитектуре НЕ относятся особенности конкретного компьютера: набор микросхем, тип жёсткого диска, ёмкость памяти, тактовая частота и т.д.

Устройство компьютера, 10 класс

31 of 74

Устройство компьютера

§ 33. Магистрально-модульная организация компьютера

31

32 of 74

Взаимодействие устройств

32

устройства ввода

К

внешняя

память

процессор

(АЛУ, УУ)

внутренняя

память

К

устройства вывода

шина адреса

шина данных

шина управления

Шина (или магистраль) – это группа линий связи для обмена данными между несколькими устройствами компьютера.

Устройство компьютера, 10 класс

33 of 74

Контроллеры

33

Контроллер — это электронная схема для управления внешним устройством и простейшей предварительной обработки данных.

контроллер клавиатуры

контроллер диска

сетевая карта

видеокарта

Устройство компьютера, 10 класс

34 of 74

Обмен данными с внешними устройствами

34

Прямой доступ к памяти (ПДП)�DMA = Direct Memory Access�обмен данными выполняет внешнее устройство по команде центрального процессора.

процессор готовит обмен: �программирует контроллер ПДП
контроллер ПДП пересылает данные

процессор загружен минимально

сложность (нужен контроллер ПДП)

Устройство компьютера, 10 класс

35 of 74

Устройство компьютера

§ 34. Процессор

35

36 of 74

Что такое процессор?

36

Процессор – это устройство, предназначенное для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения.

AЛУ = арифметико-логическое устройство, выполняет обработку данных
УУ = устройство управления, которое управляет выполнением программы и обеспечивает согласованную работу всех узлов компьютера

Устройство компьютера, 10 класс

37 of 74

АЛУ

37

2 регистра
сумматор
схема управления операциями

Регистр состояния процессора – биты устанавливаются по результату R последней операции

бит Z (zero) – установлен, если R = 0

бит N (negative) – установлен, если R < 0

бит C (carry) – установлен, если произошел перенос

АЛУ работает с целыми числами, математический сопроцессор – с вещественными!

!

R ≤ 0: N or Z

R ≥ 0: not N

Устройство компьютера, 10 класс

38 of 74

Устройство управления

38

извлечение из памяти очередной команды
расшифровка команды, определение необходимых действий
определение адресов ячеек памяти, где находятся исходные данные
занесение в АЛУ исходных данных
управление выполнением операции
сохранение результата

микрокоманда	микрокоманда	…	микрокоманда

команда

генератор тактовых импульсов

Устройство компьютера, 10 класс

39 of 74

Основные характеристики процессора

39

Тактовая частота — количество тактовых импульсов в секунду.

1 ГГц (гигагерц) = 1 млрд герц

Недостаточно для сравнения быстродействия!

!

Разрядность — это максимальное количество двоичных разрядов, которые процессор способен обработать за одну команду.

разрядность регистров
разрядность шины данных
разрядность шины адреса R

Величина адресного пространства 2^Rбайтов

Устройство компьютера, 10 класс

40 of 74

Система команд процессора

40

команды передачи (копирования) данных
арифметические операции
логические операции, например «НЕ», «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ»
команды ввода и вывода
команды переходов (условного, безусловного)

Совместимость: новые модели поддерживают все команды предыдущих!

!

Intel 8080 → Pentium III → Core i7

Устройство компьютера, 10 класс

41 of 74

Устройство компьютера

§ 35. Память

41

42 of 74

Что такое компьютерная память?

42

Память — это устройство компьютера, которое используется для записи, хранения и выдачи по запросу команд программы и данных.

внутренняя или основная (для хранения программ и данных в момент решения задачи), ОЗУ и ПЗУ
внешняя или долговременная (… на длительный срок)

Устройство компьютера, 10 класс

43 of 74

Внутренняя память

43

RAM = Random Access Memory, обращение к ячейкам в любом порядке.

ОЗУ = оперативное запоминающее устройство

на электронно-лучевых трубках
на магнитных сердечниках

сейчас:

на триггерах (статическая):�регистры, кэш-память

на полупроводниковых �конденсаторах (динамическая):
большая ёмкость
меньшая стоимость
меньшее быстродействие
потребляет больше электроэнергии

Устройство компьютера, 10 класс

44 of 74

Внутренняя память – ПЗУ

44

ПЗУ = постоянное запоминающее устройство

первые: информация заносится только на заводе

затем программируемые ПЗУ

затем перепрограммируемые ПЗУ (флэш-память)

Минимальный набор программ:

тестирование компьютера
программа начальной загрузки
программы для обмена данными с клавиатурой, монитором, принтером

В компьютерах IBM PC: � BIOS = Basic Input/Output System

Устройство компьютера, 10 класс

45 of 74

Внешняя память

45

Внешняя память — часть памяти компьютера, которая используется для долговременного хранения программ и данных.

Устройства внешней памяти = накопители:

на магнитных дисках
на оптических дисках
флэш-память
…

контроллер

Устройство компьютера, 10 класс

46 of 74

Внешняя память

46

данные располагается блоками (на дисках – сектора)
блок данных читается и пишется как единое целое; работать с частью блока невозможно
прежде чем процессор сможет использовать программу или данные, их нужно загрузить из внешней памяти в ОЗУ
обменом данными управляют контроллеры

Устройство компьютера, 10 класс

47 of 74

Виды внешней памяти

47

перфоленты, перфокарты

магнитные ленты, магнитные диски

Файловые системы!

!

Устройство компьютера, 10 класс

48 of 74

Виды внешней памяти

48

оптические диски

флэш-память

CD (Compact Disk)

до 700 Мбайт

DVD (Digital Versatile Disk)

до 17,1 Гбайт

Blu-ray Disk

до 500 Гбайт

флэш-карты

флэш-накопители

SSD

(Solid State Drive)

Устройство компьютера, 10 класс

49 of 74

Чтение данных в ОЗУ

49

шина

процессор

ОЗУ

носитель информации

К

передача данных

сигналы управления

линия не задействована

1. Передача «задания» контроллеру

2. Ввод данных в ОЗУ

Ещё участвует контроллер ПДП!

!

шина

процессор

ОЗУ

носитель информации

К

Порт – это регистр контроллера, к которому процессор обращается по номеру!

!

Устройство компьютера, 10 класс

50 of 74

Иерархия памяти

50

процессор

компьютер

объем

быстродействие,

стоимость бита

регистры

ОЗУ

компьютерные сети

Какая память внутри процессора?

?

Где расположить ОЗУ?

?

Устройство компьютера, 10 класс

51 of 74

Кэш-память

51

Кэш-память — это память, ускоряющая работу другого (более медленного) типа памяти, за счёт сохранения прочитанных данных на случай повторного обращения к ним.

статическая память (на триггерах)
нет собственных адресов ячеек
кэш программ и данных отдельно

процессор

кэш-память

контроллер кэш-памяти

1-й раз

2-й раз

ОЗУ

Устройство компьютера, 10 класс

52 of 74

Кэш-память

52

Проблемы:

небольшой объём, быстро заполняется
при изменении данных в регистрах нужно обновлять кэш

Решаются контроллером кэш-памяти.

Устройство компьютера, 10 класс

53 of 74

Основные характеристики памяти

53

Средняя скорость передачи данных — это количество передаваемых за единицу времени данных после непосредственного начала операции чтения (Мбайт/с).

для дисков – частота вращения
стоимость 1 бита или стоимость 1 Гбайта

Устройство компьютера, 10 класс

54 of 74

Устройство компьютера

§ 36. Устройства ввода

54

55 of 74

Что такое устройство ввода?

55

Устройством ввода называется устройство, которое: позволяет человеку отдавать компьютеру команды и/или выполняет первичное преобразование данных в форму, пригодную для хранения и обработки в компьютере.

сенсорная панель

(touchpad)

микрофон

джо йстик

графический

планшет

датчики

мышь

сканер

флэш-диск

сетевая карта

жесткий диск

Что не относится к устройствам ввода?

?

Устройство компьютера, 10 класс

56 of 74

Клавиатура

56

Мембранная

Механическая

простая и дешёвая

недолговечна (1-10 млн нажатий)
со временем свойства ухудшаются (залипание, нужны бόльшие усилия)

реакция быстрее
20-50 млн нажатий
характеристики не меняются

дороже
тяжелее

Устройство компьютера, 10 класс

57 of 74

Контроллер клавиатуры

57

опрашивает клавиши; фиксирует их нажатие или отпускание;
хранит скан-коды нескольких последних нажатых или отпущенных клавиш;
посылает требование прерывания центральному процессору, передаёт ему скан-коды;
управляет индикаторами клавиатуры;
диагностика неисправностей клавиатуры

центральный�процессор

контроллер клавиатуры

				– 43	+43	–12	– 78	+78	+12

буфер клавиатуры

прерывание

скан-коды

Устройство компьютера, 10 класс

58 of 74

Манипуляторы

58

Мышь (оптическая)

приемное устройство�(адаптер, USB)

Лазерные мыши:

подсветка лазером
более контрастное �изображение
точность выше

Характеристики:

разрешение ≈ 1000 dpi
количество кадров в секунду�(до 10000)
размер кадра (16×16, 32×32)

Устройство компьютера, 10 класс

59 of 74

Манипуляторы

59

Трекбол

Сенсорная панель (тачпад)

Трекпоинт

Джойстик

Игровые манипуляторы

мультитач – реакция на касание в нескольких местах одновременно

Устройство компьютера, 10 класс

60 of 74

Сканеры

60

со слайд-модулем

Сканер – устройство для ввода изображений.

барабанные

планшетные

рулонные

ручные

Устройство компьютера, 10 класс

61 of 74

Сканеры

61

ppi = pixels per inch, пиксели на дюйм

150-300 ppi – низкое разрешение

300 ppi – сканирование любительских фото�до 5400 ppi – сканирование фотопленки

планшетные – до 5400 ppi рулонные – до 800 ppi

барабанные – до 14400 ppi

на бумаге

в компьютере

1 дюйм = 2,54 см

пиксель

Разрешающая способность — это максимальное количество точек на единицу длины, которые способен различить сканер.

Устройство компьютера, 10 класс

62 of 74

Сканеры

62

Ввод текста��

Для редактирования в текстовом редакторе, нужно распознать символы с помощью специальной программы (> 300 ppi!):

OCR = Optical Character Recognition, оптическое � распознавание символов �ABBYY FineReader, CuneiForm

Сканер вводит текст как изображение!

!

Устройство компьютера, 10 класс

63 of 74

Устройства ввода

63

Микрофоны

Датчики

датчик

АЦП

компьютер

101001010101

Веб-камера

Графический планшет

Устройство компьютера, 10 класс

64 of 74

Устройство компьютера

§ 37. Устройства вывода

64

65 of 74

Что такое устройства вывода?

65

Устройства вывода — это устройства, которые представляют компьютерные данные в форме, доступной для восприятия человеком.

сенсорный экран

колонки

плоттер

МФУ

датчики

монитор

принтер

флэш-диск

сетевая карта

жесткий диск

Что не относится к устройствам вывода?

?

Устройство компьютера, 10 класс

66 of 74

Первые устройства вывода

66

Рг1

Рг2

См

70070770₈

Рг2 = ?

АЦПУ = алфавитно-цифровые печатающие устройства

Устройство компьютера, 10 класс

67 of 74

Плоттеры (графопостроители)

67

Устройство компьютера, 10 класс

68 of 74

Мониторы

68

Монитор = дисплей + электронные схемы управления

электронно-лучевые

жидкокристаллические (ЖК)

очень малое излучение
малые размеры и вес
потребляют мало �электроэнергии (40 Вт)
нет искажений изображения

хуже цветопередача (чёрный цвет?)
изображение зависит от угла зрения
смазывание изображения
«битые пиксели»
только одно разрешение

Устройство компьютера, 10 класс

69 of 74

Принтеры

69

Принтер – устройство для вывода информации на бумагу или пленку.

Разрешающая способность�dpi = dots per inch, точки на дюйм

обычно 300 – 600 dpi

1200 dpi (типографское качество)

Виды принтеров

матричные (красящая лента)
струйные (чернила)
лазерные (порошок)
сублимационные (красящая лента)

Устройство компьютера, 10 класс

70 of 74

Матричные принтеры

70

красящая лента

бумага

печатающая головка

Качество печати:�72…300 dpi

текст: до 337 символов в минуту

графика: до 5 мин на страницу!!!

дешевые принтеры и ленты
нетребовательны к бумаге

невысокое качество
низкая скорость печати графики
шумят
черно-белые (почти все)

Устройство компьютера, 10 класс

71 of 74

Струйные принтеры

71

Качество печати:�300…4800 dpi

ч/б: до 30 стр/мин

цвет: до 30 стр/мин

фото 10×15: �от 10 сек

относительно дешевые
качественная печать
мало шумят
большинство – цветные

требовательны к бумаге
дорогие катриджи
чернила расплываются от воды

цвет: CMYK

Cyan
Magenta
Yellow
Key color

Устройство компьютера, 10 класс

72 of 74

Лазерные принтеры

72

Качество печати:�600…1200 dpi

ч/б: до 50 стр/мин

цвет: до 25 стр/мин

становятся все дешевле
очень качественная печать
мало шумят
есть цветные

требовательны к бумаге
дорогие катриджи
потребляют много электроэнергии
цветные дорогие

картридж

с тонером

лазер

призма

фотобарабан

нагретые �валики

чистящий �элемент

бумага

Устройство компьютера, 10 класс

73 of 74

3D-принтеры

73

3D-принтер — устройство, которое создает физический объект по слоям на основе его цифровой трёхмерной модели.

3D = 3-dimensions, трёхмерный

Устройство компьютера, 10 класс

74 of 74

Полезные ссылки

74

Полезные ссылки:

История развития вычислительной техники

Появление первого компьютера

Как работает компьютер

Устройство компьютера, 10 класс